AT5310U1

AT5310U1 - Lichtlenkungseinrichtung

Info

Publication number: AT5310U1
Application number: AT0028101U
Authority: AT
Original assignee: Mekal Jolanta Dipl Ing; Mekal Krzysztof Dipl Ing
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-05-27
Also published as: WO2002084183A1

Abstract

Die Lichtlenkung erfolgt durch wartungsfreien Steuerungsmechanismus (1) (Lichtverfolger) der auf Kräften beruht, die bei Erwärmung von Bimetall- (19) bzw. Parallelbändern (2), entstehen. Der Solarkollektor mit Lichtlenkungseinrichtung kann mittels lichtlenkenden Lamellen (8) und länglichen Parabolspiegeln (14) das einfallende Licht zu jedem Zeitpunkt in eine zum Absorber annähernd lotrechte Richtung lenken und auf schmale, mit Photovoltaikstreifen (16) versehene, Wärmeabsorberröhrchen (13) bündeln. Im Überhitzungsfall wird das Licht mittels Bimetallhebel (19) und Lamellen (8) oder länglichen Parabolspiegeln (14) vom Absorber weg gelenkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mechanische Konstruktion einer Steuerung von Lichtlenkungseinrichtungen. Die Konstruktion basiert auf thermisch bedingten Längeänderungen zwei paralleler Bänder. Die bei unterschiedlicher Belichtung bzw.

Erwärmung entstehenden Längeänderungen werden mechanisch auf Steuerelemente übertragen die der Lichtlenkung oder Lichtbündelung oder Beschattung dienen.

Übliche Lichtsteuerungen basieren auf elektromechanischen Mechanismen die auf Signale der Photovoltaikelemente reagieren. Sie bedienen sich der elektrischen Motoren, die die elektrische Signale in mechanische Bewegungen umwandeln. Es handelt sich um verhältnismässig komplizierte und daher anfällige Einrichtungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Lichtlenkungseinrichtung die nur mit Sonnenlicht thermisch-mechanisch angetrieben wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, ein Solarkollektor zu schaffen, der ohne Steuerung von aussen das einfallende Licht zu jedem Zeitpunkt in eine zum Absorber annähernd lotrechte Richtung lenkt und auf schmale, mit Photovoltaikstreifen versehene Absorber bündelt und im Überhitzungsfall das Sonnenlicht vom Absorber ablenkt und so vor weiterer Erwärmung schützt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, der Steuermechanismus (Lichtverfolger) hauptsächlich aus zwei parallel angeordneten Bändern besteht, die an einem Ende des drehbaren Trägerrohrs durch eine Feder und am anderen Ende über die Seile und Rollen befestigt sind. Die Bänder bestehen aus Kunststoff oder Metall, wobei die bestrahlten Oberflächen matt und geschwärzt und die nach innen gerichteten Oberflächen glatt (verspiegelt) sind, um den Strahlungswärmeaustausch zwischen ihnen zu unterdrücken. Die Seile werden in den Rollen in Richtung Drehachse geführt und um den Trägerzapfen gewickelt. Die Situierung und die Neigung der Achse ist dabei nicht relevant so lange sie nicht lotrecht zur Doppelbandlängsachse läuft. Bei unsymmetrischer Belichtung bzw.

Erwärmung kommt es zu unterschiedlicher Längenänderung der Bänder, die von den Seilen durch Drehung des Trägerrohrs bzw. des ganzen Lichtverfolgers ausgeglichen wird. Der Lichtverfolger dreht sich solange in Richtung Lichtquelle, bis die Bänder annähemd gleich stark bestrahlt bzw. erwärmt werden. Weil in symmetrienaher Lage der Längenunterschied gering ist, ist unter den Bändern ein länglicher Parabolspiegel am Trägerrohr befestigt, dessen symmetrischer Brennpunkt (Brennlinie) ausserhalb der Bänderfläche liegt. Bei kleinen Abweichungen der Lichteinfallrichtung von der Symmetrieachselfläche des Lichtverfolgers reflektiert der Spiegel die Strahlung auf nur ein Band und verstärkt die Wirkung des Lichtverfolgers.

Ein Solarkollektor mit oben genannten Lichtverfolger lenkt mittels lichtlenkenden Lamellen das einfallende Licht zu jedem Zeitpunkt in eine zum Absorber annähernd lotrechte Richtung. Im Solarkollektor mit einem Absorber aus schmalen Streifen/Röhrchen wird das Licht mittels beweglicher, länglicher Parabolspiegel auf die Wärmeabsorber- bzw.

Photovoltaikstreifen gebündelt. Im Überhitzungsfall dreht ein Bimetallhebel die Reflektoren so, dass das Licht vom Absorber weg gelenkt wird.

Die Steuerung der Lichtlenkung wird von wartungsfreien, im Kollektorgehäuse befindlichen Lichtverfolgem und Bimetallhebeln ausgeführt. Die Optimierung der gesteuerten Parabolspiegel kann durch die zusätzliche Verwendung der Lenklamellen geschehen. Weil der optimale Winkelbereich der lenkbaren Parabolspiegel kleiner ist als jener der Lenklamellen, wird der jahreszeitabhängige Lichteinfallwinkel (Höhe) von den gesteuerten horizontalen Parabolspiegeln und der tageszeitabhängige Winkel (Azimut) von den gesteuerten vertikalen Lamellen korrigiert. Die Lamellen mit dem Bimetallhebel übernehmen auch die Rolle des Überhitzungsschutzes. Da sich alle beweglichen Elemente innerhalb des Kollektorgehäuses befinden und die Steuerung ohne Fremdenergie bzw. äussere Bauteile auskommt, können lange wartungsfreie Betriebszeiten erwartet werden.

In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: FIG. 1 Lichtverfolger in axonometrischer Darstellung FIG. 2 Lichtverfolger in Ansicht FIG. 3 Lichtverfolger im Schnitt I FIG. 4 Lichtverfolger im Schnitt ll FIG. 5 Lichtlenkungsschema - Lamellenanstellung bei Lichteinfallwinkel 50,40, 30 und 20
Grad FIG. 6 Kollektor mit drehbaren Lamellen - Schemaschnitt FIG. 7 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
115 Grad FIG. 8 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
90 Grad FIG.

9 Verschiebbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel
75 Grad FIG.10 Kollektor mit verschiebbaren Parabolspiegel - Schemaschnitt FIG.11Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und-Bündelung beim Lichteinfallwinkel 90
Grad FIG.12 Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und -Bündelung beim Lichteinfallwinkel 60
Grad FIG.13 Drehbare Parabolspiegel - Lichtlenkung und-Bündelung beim Lichteinfallwinkel 20
Grad FIG.14 Kollektor mit drehbaren Parabolspiegel - Schemaschnitt

Der Steuermechanismus (Fig.l) bzw. Lichtverfolger (1) besteht hauptsächlich aus zwei parallel angeordneten Bändern (2), die an einem Ende des drehbaren Trägerrohrs (22) durch eine Feder (23) und am anderen Ende über die Seile (24) und Rollen (25) befestigt sind.

Die Bänder bestehen aus Kunststoff oder Metall, wobei die bestrahlten Oberflächen matt und geschwärzt und die nach innen gerichteten Oberflächen glatt (verspiegelt) sind, um den Strahlungswärmeaustausch zwischen ihnen zu unterdrücken. Die Seile werden in den Rollen (25) in Richtung Drehachse geführt (26) und um den Trägerzapfen (27) gewickelt. Die Situierung und die Neigung der Achse ist dabei nicht relevant so lange sie nicht lotrecht zur Doppelbandlängsrichtung läuft. Bei unsymmetrischer Belichtung bzw. Erwärmung kommt es zu unterschiedlicher Längenänderung (2) der Bänder, die von den Seilen (24) durch Drehung des Trägerrohrs (22) bzw. des ganzen Lichtverfolgers (1) ausgeglichen wird. Der Lichtverfolger (1) dreht sich solange in Richtung Lichtquelle, bis die Bänder (2) annähernd gleich stark bestrahlt bzw. erwärmt werden.

Weil in symmetrienaher Lage der Längenunterschied gering ist, ist unter den Bändern ein länglicher Parabolspiegel (4) am Trägerrohr befestigt, dessen symmetrischer Brennpunkt (Brennlinie) (28) ausserhalb der Bänderfläche liegt. Bei kleinen Abweichungen der Lichteinfallrichtung von der Symmetrieachse/fläche (3) des Lichtverfolgers reflektiert der Spiegel die Strahlung auf nur ein Band und verstärkt die Wirkung des Lichtverfolgers.

Ein Lichtverfolger (1) verändert die Lage der Lenkungslamellen (8), die mit Seilen und Anker (21) zum Gehäuse (5) befestigt sind , ein zweiter Lichtverfolger (1) die Lage der Parabolspiegel (14). Bei flachen Absorbern (7) reicht es, allein die lichtreflektierenden Lenkungslamellen (8) zu steuern, um nahezu lotrechten Lichteinfall und Überhitzungsschutz zu erreichen. Der Lichtverfolger dreht sich zur Lichteinfallsrichtung, wobei seine Drehbewegung durch die Steuerscheibe (12), Seile (10) und Federn (11) auf die Lamellen (8) übertragen wird. Der Übertragungswinkel ist durch die Randkurve der Drehscheibe (12) definiert bzw. vom momentanen Radius (31) abhängig. Im Überhitzungsfall wird die Steuerung vom Bimetallhebel (19) übernommen. Die Federn (11) erlauben die Flachlegung der Lamellen unabhängig von der Position des Lichtverfolgers (1).

Der Bimetallhebel (19) ist an der voraussichtlich heissesten Stelle des Absorbers befestigt. Seine Durchbiegung wird über das Seil (20) direkt auf die Lamellen (8) übertragen. Der je nach Jahres- und Tageszeit räumlich unterschiedliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen kann durch die Lichtlenkung mit zwei unabhängigen Steuerungsmechanismen und zwei Lamellenschichten, die um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet sind, ausgeglichen werden.

Besonders wirtschaftlich ist der Kollektor durch die Lichtbündelung mit Parabolspiegeln (14), da die Fläche des Absorbers (13) bzw. der Photovoltaikstreifen (16) bzw. beider zusammen, minimiert wird. Je nach Ausrichtung des Kollektors ergeben sich verschiedene Winkelbereiche des Lichteinfalls (31), was unterschiedliche Bewegungen der Parabolspiegel (14) erfordert. Bei südlicher Orientierung und günstiger Neigung des Kollektors bzw. nahezu lotrechtem Lichteinfall reicht es, die aneinandergereihten Parabolspiegel je nach Jahreszeit zu verschieben (Fig. VII). Bei ungünstiger Neigung ist es besser, alle Parabolspiegel parallel zu drehen (Fig.Vlll). Die Drehachse (29) der Parabolspiegel kann in diesem Falle mit dem Absorberstreifen zusammenfallen. Zur Steuerung werden alle Parabolspiegel untereinander mittels Seilen (30) oder Drähten verbunden.

Diese Seile (30) werden über die Federn (11) mit den Steuerungsseilen (10) des Lichtverfolgers (1) verbunden, die um dessen Steuerscheibe (12) gewickelt sind. Die Steuerscheibe ist so geformt, dass der Drehwinkel der Parabolspiegel etwa dem halben Drehwinkel des Lichtverfolgers entspricht. Ähnlich wie bei Lamellen erlauben die Federn (11 ) im Überhitzungsfall das Flachlegen der Parabolspiegel (14) auch gegen die Steuerung des Lichtverfolgers. In diesem Falle wird die Steuerung vom Bimetallhebel (19) übernommen. Der Bimetallhebel ist an der voraussichtlich heissesten Stelle des Sammelkanals (17) bzw. des Fortlaufrohrs (18) befestigt. Seine Durchbiegung wird über das Seil (20) direkt auf die Parabolspiegel (14) übertragen um im Notfall das Licht vom Absorber weg zu lenken.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Lichtlenkungseinrichtung (genannt Lichtverfolger), dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuermechanismus (1 ) aus zwei parallelen Bändern (2) besteht, die bei unsymmetrischer Bestrahlung ungleich stark erwärmt werden und deren Längenänderung in eine Drehbewegung umgewandelt wird, die den Lichtverfolger so lange zu Lichteinfallsrichtung dreht, bis seine Symmetrieachse (3) sich der Lichtrichtung annähert. Die Genauigkeit der Ausrichtung am Lichteinfall wird durch einen mitschwenkenden Parabolspiegel (4), der symmetrisch unter den Bändern (2) liegt, gesteigert.
2. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Kollektorgehäuses (5) zwischen der transparenten Gehäusehülle (6) und der Absorberfläche (7) der Lichtverfolger (1) und lichtreflektierende schwenkbare Lamellen (8) über die gesamte Fläche befestigt sind, deren Anstellwinkel (9) veränderbar ist.
3. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) mittels dünnen Seilen (10) und Federn (11) mit der Steuerscheibe (12) des Lichtverfolgers (1) verbunden sind und abhängig von deren Form bzw. Übersetzung geschwenkt werden, bis das umgelenkte Sonnenlicht nahezu senkrecht auf die Absorberfläche fällt.
4. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Kollektorgehäuses (5) der Lichtverfolger (1) und der Absorber aus einzelnen parallelen Röhrchen (13) mit einem Sammelkanal (17) befestigt ist und die länglichen, lichtbündelnden Parabolspiegel (14) beweglich befestigt sind so, so dass die Lage ihrer Brennpunkte (15) durch ein vom Lichtverfolger (1) gesteuertes Schwenken veränderbar ist.
5. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die belichteten Seiten der Absorberröhrchen (13) Photovoltaik-Streifen (16) aufgebracht sind. <Desc/Clms Page number 5>
6. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtbündelnden Parabolspiegel (14) durch den Lichtverfolger (1) so bewegt werden, dass das jeweils auf den Kollektor fallende Sonnenlicht auf die Absorberröhrchen- (13) bzw Photovoltaikstreifen (16) gebündelt wird.
7. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur im Wärmeträgermedium die schwenkbaren Lamellen (8) oder die Parabolspiegel (14) von dem am Absorber (7) oder Sammelkanal (17) oder Fortlaufrohr (18) befestigten Thermobimetallhebel (19) und Seil (20) so gedreht werden, dass das Licht vom Absorber weggelenkt wird.
8. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 3 und 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) mittels Seils (10) und Spiralfedern (11) mit dem Lichtverfolger (1) und gleichzeitig mittels des Seils (20) mit dem Thermobimetallhebel (19) verbunden sind und von diesen bei bestimmter Temperatur gesteuert (geschwenkt) werden.
9. Lichtlenkungseinrichtung nach Anspruch 3 und 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der lichtdurchlässigen Aussenhülle (6) zwischen den Absorberröhrchen (13) und den vom Lichtverfolger (1) gesteuerten lichtbündelnden Parabolspiegel (14), gesteuerte Lamellen (8) befinden, die von einem Thermobimetallhebel (19) und einem separaten Lichtverfolger (1) gesteuert werden